土木工程結構減震控制技術(shù)論文

　　土木工程結構減震控制技術(shù)論文【1】

　　【摘要】隨著(zhù)經(jīng)濟的飛速發(fā)展以及城市化進(jìn)程的不斷加快，在我國的土木工程建設工程也是日益增多，其規模更是越來(lái)越大。

　　本文從結構減震的角度出發(fā)，首先概述了隔震控制技術(shù)的基本原理，之后再根據其基本原理來(lái)論述土木工程結構減震的控制方法。

　　【關(guān)鍵詞】土木工程;結構減震;控制方法

　　一、隔震控制技術(shù)的基本原理 結構減震控制指的是在建筑結構的某個(gè)特定部位設置某種控制裝置、機構或種子結構，當結構出現振動(dòng)的時(shí)候，主動(dòng)或液壓質(zhì)量振動(dòng)被動(dòng)的施加外力來(lái)改變或調整結構的動(dòng)力作用或動(dòng)力特性，從而有效降低結構的振動(dòng)反應，其最終目的就是通過(guò)采取一系列控制措施和方法，降低建筑結構在地震等強動(dòng)力荷載下的反應，增強建筑結構的穩定性能，為建筑結構的安全性提供保障。

　　由地震反應譜我們了解到，隨著(zhù)周期的不斷加大，其加速度的反應譜就會(huì )逐漸的縮小，一般低層建筑的剛度是較大的，所以其周期是比較短的，在地震的時(shí)候其中的加速度是相對比較大的，所以假如我們采取一個(gè)相應的措施加大了其延長(cháng)結構基本的自振周期，使其遠離場(chǎng)地的卓越周期，使得結構的基頻始終處于一個(gè)地震能量高的頻段以外，就可以有效地降低其建筑物的輸入加速度。

　　二、土木工程結構減震的控制技術(shù) (一)被動(dòng)控制 結構被動(dòng)控制是指控制裝置不需要外部能源輸入的控制方式。

　　其特點(diǎn)是采用隔震、耗能減震和吸能減振等技術(shù)消耗振動(dòng)能量，以達到減小結構振動(dòng)反應的目的。

　　被動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)是構造簡(jiǎn)單、造價(jià)低、易于維護，并且不需要外部能源支持等。

　　目前，被廣泛采用的被動(dòng)控制裝置有： (1)基礎隔震體系。

　　基礎隔振是在上部結構與基礎之間設置某種隔振消能裝置，以減小地震能量向上部的傳輸，從而達到減小上部結構振動(dòng)的目的。

　　基礎隔振能顯著(zhù)降低結構的自振頻率，適用于短周期的中低層建筑和剛性結構。

　　由于隔振僅對高頻地震波有效，因此對高層建筑不太適用。

　　(2)耗能減振體系。

　　常用的耗能元件有耗能支撐和耗能剪力墻等;常用的阻尼器有金屬屈服阻尼器、摩擦阻尼器、黏彈性阻尼器、黏性液體阻尼器等。

　　(3)調諧減振系統。

　　常用的調諧減振系統有：調諧質(zhì)量阻尼器(TMD )、調諧液體阻尼器(TLD)、液壓質(zhì)量振動(dòng)控制系統(HMS)等。

　　調諧質(zhì)量阻尼器是一個(gè)小的振動(dòng)系統，由質(zhì)量塊、彈簧和阻尼器組成。

　　它對結構進(jìn)行振動(dòng)控制的機理是：原結構體系由于加入了TMD，其動(dòng)力特性發(fā)生了變化。

　　原結構承受動(dòng)力作用而劇烈振動(dòng)時(shí)，由于TMD質(zhì)量塊的慣性而向原結構施加反方向作用力，其阻尼也發(fā)揮耗能作用，從而使原 (二)主動(dòng)控制 結構主動(dòng)控制是利用外部能源， 在結構受激勵振動(dòng)過(guò)程中， 對結構施加控制力或改變結構的動(dòng)力特性， 從而迅速地減小結構的振動(dòng)反應。

　　主動(dòng)控制系統主要包括傳感器、控制器和作動(dòng)器3 個(gè)組成部分。

　　目前有關(guān)主動(dòng)控制的研究?jì)热葜饕�分為主�?dòng)控制算法和主動(dòng)控制裝置研究?jì)刹糠帧?/p>

　　主動(dòng)控制裝置主要有主動(dòng)質(zhì)量阻尼系( AMD) 、主動(dòng)拉索系統( ATS ) 、主動(dòng)支撐系統( ABS) 、主動(dòng)空氣動(dòng)力擋風(fēng)板控制系統( ADA) 和氣體脈沖發(fā)生器控制系統( PC) 等。

　　主動(dòng)控制算法是主動(dòng)控制的基礎， 它的目標是使主動(dòng)控制系統在滿(mǎn)足其狀態(tài)方程和各種約束條件下， 選擇合適的增益矩陣， 尋找最優(yōu)的控制參數， 使系統達到較優(yōu)的性能指標， 實(shí)現對結構的最優(yōu)控制。

　　目前， 它的研究基本上是以理論分析、數據模擬分析為主， 且已取得較大的成就， 但主動(dòng)控制技術(shù)尚未成熟。

　　從目前已有的研究來(lái)看， 其可行性還受到一些條件的制約： (1) 主動(dòng)控制系統在地震中運作問(wèn)題。

　　日本采用AMD 和HMD 的高層建筑， 在風(fēng)振和環(huán)境振動(dòng)時(shí)主動(dòng)控制系統運作正常， 取得很好的控制效果。

　　但在大地震時(shí)， 很大部分的主動(dòng)控制系統因故未能運作。

　　(2) 時(shí)滯問(wèn)題。

　　主動(dòng)控制系統在工作時(shí)由于信號處理、運算、電液伺服作動(dòng)自動(dòng)作等都需要一定的時(shí)間， 因此時(shí)間滯后問(wèn)題是不可避免的。

　　時(shí)滯對控制系統的性能有很大影響，它使系統穩定性變差， 控制效率降低， 甚至可能產(chǎn)生負效應。

　　目前， 可以通過(guò)補償的方法來(lái)修正時(shí)滯。

　　(3)能量問(wèn)題。

　　主動(dòng)控制系統的運作需要依靠外部能源的輸入， 如何在地震中保證有可靠的能源， 需要特別注意。

　　(三)半主動(dòng)控制 半主動(dòng)結構控制參數控制，它是依賴(lài)于結構的振動(dòng)反應或動(dòng)荷載的信息實(shí)時(shí)改變結構的參數來(lái)減小結構的反應。

　　它更易于實(shí)施，并且它的控制系統更為可靠。

　　半主動(dòng)結構控制的控制效果優(yōu)于被動(dòng)控制，略遜于主動(dòng)控制。

　　半主動(dòng)控制不需要外界能量輸入，因而是一種很有發(fā)展前景的抗震控制方法 (四)混合控制 混合控制是將主動(dòng)控制和被動(dòng)控制或智能控制等2種或2種以上控制方式，同時(shí)施加在同一結構上的結構減振控制形式。

　　近年研究較多的是以被動(dòng)控制為主，主動(dòng)控制為輔的主從組合方式。

　　它兼有2種控制的優(yōu)點(diǎn)，又克服了各自的缺點(diǎn)，只需很小的能量輸入即可得到很好的控制效果。

　　目前，混合控制有主動(dòng)質(zhì)量阻尼系統(AMD)與調諧質(zhì)量阻尼系統(TMD)或調諧液體阻尼系統(TLD)的混合控制，主動(dòng)控制與基礎隔震的混合，主動(dòng)控制與耗能減振的混合，液體質(zhì)量控制系統和主動(dòng)質(zhì)量阻尼系統的混合。

　　目前，隔震和耗能減振的混合控制應用較為廣泛。

　　世界上第一個(gè)安裝混合質(zhì)量阻尼器(HMD) 控制系統的建筑是日本東京清水公司技術(shù)研究所的7層建筑。

　　我國南京電視塔采用了主動(dòng)質(zhì)量阻尼系統AMD與調諧液體阻尼系統TLD相結合的混合控制系統來(lái)控制風(fēng)振。

　　(五)智能控制 結構智能控制包括采用智能控制算法和智能驅動(dòng)或智能阻尼裝置2類(lèi)。

　　當結構遇到強烈的地震作用時(shí)可能進(jìn)入非線(xiàn)性，結構構件的承載力和剛度發(fā)生退化，實(shí)際結構模型修正是結構振動(dòng)控制的一個(gè)突出問(wèn)題。

　　智能控制算法正是為了解決這一問(wèn)題而引入的。

　　智能控制算法可以不依賴(lài)精確的結構模型，或者具有很強的學(xué)習及調整逼近能力。

　　目前研究的結構智能控制算法主要有： (1)模糊控制算法。

　　模糊控制主要通過(guò)狀態(tài)輸出和控制輸入的模糊邏輯關(guān)系，即模糊控制規則來(lái)實(shí)現系統的調節或控制。

　　(2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制算法。

　　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )具有很強的非線(xiàn)性逼近、自學(xué)習和自適應、數據融合以及并行分布處理等能力，在多變量、強非線(xiàn)性系統的辨識、建模和控制中有明顯的優(yōu)勢和應用前景。

　　另一類(lèi)結構智能控制是指采用諸如磁(電)流變液體、壓電材料、磁(電)致伸縮材料和形狀記憶合金等智能驅動(dòng)器的主動(dòng)控制或智能阻尼器的半主動(dòng)控制。

　　三、結束語(yǔ) 目前， 世界上許多國家開(kāi)展了結構減震技術(shù)與理論的研究，并致力于該技術(shù)的推廣應用。

　　結構減震控制技術(shù)是一門(mén)科學(xué)性和技術(shù)性很強的應用科學(xué)，在結構設計中應用減震控制技術(shù)， 能很好地減小地震反應從而降低抗震等級， 同時(shí)建筑物的總造價(jià)增大不多。

　　另外， 隨著(zhù)結構減震技術(shù)的發(fā)展， 減震系統造價(jià)不斷減低， 減震房屋的經(jīng)濟效益會(huì )越來(lái)越突現。

　　結構減震技術(shù)代表著(zhù)未來(lái)抗震技術(shù)的發(fā)展方向， 值得大力推廣應用。

　　參考文獻 [1]涂勇 土木工程結構振動(dòng)控制研究方法綜述[J]. 工程建設與設計. 2011(08) [2]周可哥. 工程結構振動(dòng)控制研究綜述[J]. 安徽建筑. 2010(02) [3]胡迪春. 振動(dòng)控制在土木工程中的應用探討[J]. 中國水運(下半月). 2008(07)

　　土木工程減震技術(shù)及其應用【2】

　　摘 要：隨著(zhù)地震災害的頻繁發(fā)生，人們在土木工程施工中也必須要將抗震性能放在一個(gè)重要的位置，目前，土木工程的結構減震是防災減震最有效的方法之一，并且在實(shí)際應用中也取得了非常好的效果。

　　通過(guò)對土木工程結構減震控制方法的研究和應用，建筑在受到地震災害時(shí)所受到的破壞就會(huì )降到最低。

　　關(guān)鍵詞：土木工程;結構減震;原理;應用

　　1 減震控制采用的方法原理

　　建筑結構的抗震效果主要是通過(guò)對建筑中某個(gè)部位來(lái)加入防震設置來(lái)起到防震的作用，如果發(fā)生強烈的振動(dòng)，那么抗震結構裝置就會(huì )主動(dòng)的對外來(lái)施加的壓力進(jìn)行力的調整，從而降低外力對整個(gè)建筑結構產(chǎn)生的強烈反應，而這一系列措施和方法在強烈的振動(dòng)下才能夠表現出來(lái)，這不僅能夠起到穩定建筑整體結構的作用，同時(shí)也可以有效的保證建筑的使用安全，對于提高建筑的使用壽命也有著(zhù)一定的效果。

　　2 土木工程結構減震的應用分析

　　2.1 被動(dòng)控制。

　　結構減震的被動(dòng)控制主要是利用減震以及隔震裝置來(lái)對振動(dòng)的能量進(jìn)行消耗，振動(dòng)在建筑中傳播時(shí)碰到減震和隔震裝置就能夠被停止，采用被動(dòng)控制的方法相對較為簡(jiǎn)單，并且有著(zhù)成本低以及維護方便等特點(diǎn)，在應用過(guò)程中表現出的效果也非常明顯，因此目前很多土木工程中都廣泛采用被動(dòng)控制的減震措施。

　　2.1.1 耗能減震。

　　耗能減震的主要原理是將振動(dòng)所產(chǎn)生的能量加以消耗，從而避免振動(dòng)給建筑結構產(chǎn)生較大的作用力。

　　這種方法需要在建筑結構中加入耗能的部件，也可以在建筑結構的某些部位設置阻尼器來(lái)作為耗能減震的主要裝置，一旦建筑受到外力的干擾，那么耗能減震的部件就會(huì )進(jìn)入到彈性的狀態(tài)，外來(lái)的作用力經(jīng)過(guò)彈性部件的消耗后就會(huì )大大降低，同時(shí)一些荷載以及振動(dòng)的作用在進(jìn)入到結構中時(shí)，也可以產(chǎn)生非常好的保護作用，這樣對于穩定建筑的整體結構也有著(zhù)非常好的效果。

　　而耗能裝置也有著(zhù)不同的種類(lèi)，并且按照需求的不同也可以將其分為不同的體系，其中一種為耗能構件減震體系，主要包括了有耗能支撐、耗能剪力墻等。

　　還有一種是阻尼器耗能減震體系，其中包括了金屬屈服阻尼器、摩擦阻尼器以及彈性阻尼器等等。

　　2.1.2 基礎隔震。

　　基礎隔震相比耗能隔震在建筑上的部位也有著(zhù)一定的差異，通常情況下，基礎隔震會(huì )設置在上部結構和基礎之間，主要是對地面產(chǎn)生的振動(dòng)傳輸進(jìn)行阻隔，這樣上部的震動(dòng)力就會(huì )大大降低，從而避免地震災害給建筑產(chǎn)生的危害。

　　基礎隔震裝置在設置過(guò)程中需要滿(mǎn)足一定的特性才可以加入到建筑結構當中，因此隔震裝置必須要有著(zhù)較大的變形能力，并且能夠提供較大的耗能，這樣才能夠更好的保證建筑結構的穩定性。

　　2.1.3 調諧減震。

　　調諧減震是在建筑的主體結構中增加一些子結構，讓整體結構在受到震動(dòng)的情況下降震動(dòng)力轉移到子結構中，這樣震動(dòng)能量在建筑結構中就會(huì )進(jìn)行重新的分配，主結構所承受的振動(dòng)能量也會(huì )相對減少，從而起到抗震保護的作用。

　　目前調諧減震系統中常用的主要有調諧質(zhì)量阻尼器、模式質(zhì)量阻尼器以及調諧液體阻尼器等不同類(lèi)型，在應用過(guò)程中也都有著(zhù)非常好的表現效果。

　　2.2 主動(dòng)控制。

　　建筑結構的主動(dòng)控制相比被動(dòng)控制在原理上有著(zhù)很大的區別，結構的主動(dòng)控制主要是通過(guò)外部能源來(lái)降低振動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的作用力，從而有效的避免振動(dòng)反應給建筑結構帶來(lái)的影響。

　　主動(dòng)控制系統中包括了傳感器、控制器以及作動(dòng)器三個(gè)部分，其中傳感器有著(zhù)測量結構反應或者外部激勵信息的作用，而控制器能夠處理傳感器測量的信息，從而實(shí)現所需要的控制律，并且作為輸出作動(dòng)器的指令。

　　主動(dòng)控制不僅是現代控制理論的重要研究成果，同時(shí)也是科技創(chuàng )新發(fā)展的結晶。

　　在主動(dòng)控制中，作動(dòng)器的控制力可連續變化，所以其有著(zhù)極廣的控制頻率，對外界不同激勵具有很強的適應性，能夠取得很好的控制效果。

　　常用的主動(dòng)控制系統裝置主要有主動(dòng)質(zhì)量阻尼器、主動(dòng)支撐系統、主動(dòng)拉鎖系統等。

　　2.3 半主動(dòng)控制。

　　半主動(dòng)的控制是屬于一個(gè)參數的控制，其控制的過(guò)程完全的依賴(lài)于外部激勵以及結構反應的信息，進(jìn)而再通過(guò)少量的能量而實(shí)時(shí)的改變結構的阻尼或是剛度等等的參數來(lái)減小結構的反應。

　　半主動(dòng)的控制根本就不需要大量外部能源的輸入來(lái)直接性的提供一個(gè)控制力，只是其實(shí)施控制力的作動(dòng)器就得需要少量的能量調節，這樣就可以使得其可以主動(dòng)的利用結構振動(dòng)的往復相對速度或是變形，在最大程度上來(lái)充分的實(shí)現主動(dòng)最優(yōu)控制力。

　　其中常見(jiàn)的半主動(dòng)控制系統有變剛度變阻尼系統(AVSD)、可變阻尼系統(AVD)、可變剛度系統(AVS)以及主動(dòng)調諧參數質(zhì)量阻尼系統(AT-MD)等等。

　　2.4 混合控制。

　　混合控制是將主動(dòng)控制和被動(dòng)控制聯(lián)合起來(lái)應用，即將主動(dòng)控制和被動(dòng)控制同時(shí)應用于同一建筑結構減震中，可以將主動(dòng)控制和被動(dòng)控制兩種方法的優(yōu)點(diǎn)充分發(fā)揮出來(lái)，彌補了單一控制方法的制約和不足，只需要小功率的能量輸入就能直接提供控制力，控制效果非常明顯，調諧范圍得以擴大，結構抗震系統的穩定性、實(shí)用性和安全性大大提升。

　　2.5 智能控制。

　　在土木工程結構減震方法中還有一種叫做智能控制算法，這種方法不依賴(lài)精確的結構模型，而且具有很強的學(xué)習及調整逼近能力。

　　3 建筑結構減震技術(shù)

　　3.1 消能減震設計原理。

　　消能減震設計主要指的是在抗側力結構中設置消能裝置，根據裝置結構局部變形的附加阻尼來(lái)消減建筑上部結構的地震能量，保證建筑主體結構在地震作用下不至于造成嚴重破壞。

　　消能裝置由阻尼器及消能支架等構件組成，消能結構一般不用改變建筑的結構，適用性強，抗震安全性能高。

　　3.2 技術(shù)要求。

　　對于那些需要減少地震水平位移的鋼結構及鋼筋混凝土結構的建筑工程通常要考慮建筑消能減震設計。

　　在建筑減震設計過(guò)程中應根據嚴重地震下的結構移位控制要求標準，合理選取消能部件。

　　消能部件應提供建筑結構的附加阻尼。

　　現有的減震部件主要有：橡膠墊隔震減震器、空氣阻尼式減震器、不銹鋼絲繩減震器、封閉形減震器等;其中消能部件主要由消能器及斜撐、墻體、節點(diǎn)及梁等支撐構件構成;消能器、斜撐、墻體及節點(diǎn)或梁的連接裝置應符合鋼結構或鋼筋混凝土結構構件的構件連接要求，并能擔負消能器施加給連接點(diǎn)的最大值作用力。

　　4 結構減震控制的最新研究及未來(lái)發(fā)展趨勢

　　從土木工程的結構減震的控制技術(shù)的發(fā)展情況來(lái)看，在耗能減震與基礎隔震方面的研究是比較多的，且方法和理論是較為成熟的，已經(jīng)在大部分的實(shí)際工程之中來(lái)有效地加以應用，今后將向更加實(shí)用化以及規范化的方向發(fā)展。

　　地震波的頻譜特性與被動(dòng)調諧質(zhì)量減震裝置的減震效果緊密相連，對于不同的地震波表現出來(lái)的是一個(gè)比較大的離散性，其減震的效果的差別是比較大的。

　　5 結語(yǔ)

　　總之，結構減震控制技術(shù)具有很強的科學(xué)性以及技術(shù)性。

　　隨著(zhù)土木工程結構的減震技術(shù)不斷應用與發(fā)展，減震系統的造價(jià)成本不斷得到減低，減震房屋的經(jīng)濟效益與社會(huì )效益勢必會(huì )越來(lái)越凸出，也會(huì )更加受到人們的青睞。

　　參考文獻

　　[1] 王衛勇.淺議結構減震在建筑中的應用[J].山西建筑，2012(19).

　　[2] 邱曉平.土木工程結構的抗震設計探討[J].林業(yè)科技情報，2013(3).

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